具有吸气剂层的mems器件的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种MEMS器件，包括:
[0002]a)密封在一起的第一层、第二层和第三层，
[0003]b)第二层中的移动结构，其由第二层中的开口限定，
[0004]c)在第一层中，至少一个第一层空腔，其具有朝向第二层的移动结构的开口，
[0005]d)在第三层中，至少一个第三层空腔，其具有朝向第二层的移动结构的开口，其中第三层空腔和第二层共同限定MEMS器件内的空间，
[0006]本发明还涉及一种MEMS器件的制造方法。
【背景技术】
[0007]US 6，929，974B1 (摩托罗拉)公开了一种具有气密密封的空腔以容纳衬底和盖之间的微结构的微器件。微结构可以是安装在衬底的突起上的陀螺仪(US 6, 929, 974B1的图1B)。可替换地，微结构可以是安装在衬底的凹部的边缘上的元件(图6B)。盖具有一个用于各微结构的凹部以及在每个凹部中具有嵌入的晶体硅吸气剂层。吸气剂层有助于在空腔内保持真空。在一个实施例中，微器件包括衬底、盖和隔离层。空腔至少部分地由盖中的凹部限定。
[0008]US 2010/0025845A1 (弗劳恩霍夫研究所)公开了一种多元件部件，其通过包含有源结构(active structure)的成形元件随后个体化。所述部件包括平坦衬底以及还包括平坦盖结构，其彼此连接使得它们包围每个部件的彼此密封并朝向外侧的至少一个第一空腔和一个第二空腔。两个空腔的第一个设置有吸气剂材料，并且由于吸气剂材料具有与第二空腔不同的内部压力。
[0009]EP 1 412 550B1 (赛斯吸气材料)公开了一种具有集成的吸气剂的MEMS器件的制造方法。当在已知的固态生产步骤的过程中使用已知的用于产生气体吸收材料的局部沉积的CVD或溅射步骤时，产生了问题。很显然，EP 1412550B1基于如下假设:局部沉积将意味着树脂沉积、树脂的局部致敏、气体吸收材料的沉积和随后致敏树脂和气体吸收材料的移除，使得气体吸收材料被留在树脂已被移除的区域中。这将提高器件的生产的复杂性并具有交叉污染的风险。EP 1 412 550B1的目的是克服现有技术中关于制造工艺的复杂性的问题。MEMS器件构建在其上的支撑件的表面具有空腔或空穴(hollow)。所述空穴设计成形成用于容纳从基底突出的微机械器件的移动结构的空间。移动结构固定在底部部件的顶面并从所述顶面升起。因此，空穴所提供的空间是必要的并足以容纳移动结构以及移动结构突出到空穴的空间中并被空穴包围。
[0010]现有技术不能满足现代MEMS技术(MEMS =微机电系统)的所有需求。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于提供开头所述的技术领域中的MEMS器件。所述器件应当在器件的期望寿命内在其空腔中保持真空，并且它应当易于产生用于维持真空的措施。
[0012]本发明的技术方案由权利要求1的特征限定。根据本发明，MEMS器件包括密封在一起的第一层、第二层和第三层。这些层是平坦的并且也不必是物理上分离的元件。例如，第一层和第二层可以接合到一个物理单元。第一层和第二层可以形成基底以及第三层可以形成盖。盖和基底是自支撑的并因此可以在制造处理期间单独进行处理。一般而言，所述三个层在X和y方向上(平行于层的方向)具有相同的尺寸。器件可以由三个以上的层构成。附加层可以存在于三个层之间。
[0013]根据本发明，移动结构设置在第二层内。移动结构由第二层中的开口限定。因此，移动结构不延伸到第一层或第三层的领域中。另外，移动结构由与第二层相同的材料构成。开口贯穿第二层。开口限定了在χ-y平面上或在z方向上可以振动或加速的元件。
[0014]在第一层中，具有至少一个第一层空腔，其具有朝向第二层的移动结构的开口。空腔在X和y方向上与移动结构是至少同延的(coextensive)。因此，移动结构在第一层空腔上方可自由振动或加速。
[0015]在第三层中，具有至少一个第三层空腔，其具有朝向第二层的移动结构的开口。该空腔在X和y方向上与移动结构是至少同延的。通常空腔在X和y方向上比移动结构更大。第三层空腔和第二层(即第二空腔的朝向第三层取向的表面)限定封闭MEMS器件内的空间的内表面。所述空间足以避免移动结构碰撞入第三层。它可以用于放置电极以驱动或检测移动结构的运动。然而，空腔并非用于容纳移动结构，因为移动结构完全在第二层内。
[0016]根据本发明，至少一个吸气剂层布置在第二层和第三层之间的所述空间的内表面上。吸气剂层由吸附了气体分子的材料制成，所述气体分子在密封三层结构之后可能存在于空间中。
[0017]吸气剂材料在现有技术中是公知的。其可包括锆、钛、铌、钽、钒、这些金属的合金、以及进一步包含铬、锰、铁、钴、镍、铝、钆、镧和稀土的合金(参见例如W0 2004/065289)。
[0018]根据本发明的一个具体实施例，所述至少一个吸气剂层布置在第二层的表面上。这避免了吸气剂材料沉积在第三层上。
[0019]优选地，至少一个吸气剂层布置在第二层的静止部分。这意味着，吸气剂不在移动结构上并且没有改变移动质量块的移动特性的风险。可替代地，吸气剂层可覆盖移动结构。特别是吸气剂层覆盖震动质量块(或振动质量块)，而不是覆盖支撑震动质量块(或振动质量块)的柔性梁或弹簧元件。
[0020]如果吸气剂层在移动结构上，将移动部分上的吸气剂材料分离成许多条或元件，以保持MEMS层的弹性模量，是有利的。单独的元件的尺寸是例如吸气剂层的厚度的10倍。一般来说，吸气剂层的最大厚度在0.1至3微米、优选0.5至3微米的范围中。因此，吸气剂层元件在X或y方向上的尺寸可以在10-100微米的范围中，更优选在50-100微米的范围中。
[0021]根据本发明的一个具体实施例，第三层空腔具有至少两个凹部以及吸气剂层布置在凹部的表面上。凹部的深度可大于第三层空腔的常规深度。
[0022]优选地，第三层空腔(在X和y方向上)比移动结构更大。此外，凹部比移动结构小。这意味着可具有许多包含单独的吸气剂层的相对小的凹部。
[0023]在本发明的具体实施例中，第二层是绝缘体上半导体(SOI)层。绝缘体层是第一层(其可以是由标准的硅晶片制造的硅衬底)和第二层之间的附加层。移动结构被蚀刻到半导体和绝缘体层中。具有其他技术实现三个层。
[0024]第一层通常由不导电材料构成。出于接触在MEMS器件中用于激活或读取移动结构的运动的电极的目的，第一层包括贯穿第一层的导电结构。也可以通过贯穿第三层的电导体接触MEMS器件内的电极。
[0025]用于制造本发明的MEMS器件的方法包括以下步骤:
[0026]a)提供三个层，其中所述层的第一层具有至少一个第一层空腔，第二层具有用于限定移动结构的开口和第三层具有至少一个第三层空腔，
[0027]b)将吸气剂层设置在由第三层空腔和由第二层的顶面限定的区域上，
[0028]c)将三个层以此方式密封在一起以提供至少一个密封的内部空间，使得第一层空腔和第三层空腔具有朝向第二层的移动结构的开口。
[0029]三个层可以在本发明的方法中使用之前分别制造。优选地，本发明使用由(至少)第一层和第二层(其最优选是在顶部具有SOI结构的硅衬底)构成的组合结构。第三层与第一和第二层是分开的。
[0030]第二层可以在开始本发明处理之前已经包含移动结构。但是，也可以在根据本发明的处理过程中制造第二层中的开口。也就是说，第二层可设置成没有任何移动结构的裸板(raw plate)。
[0031]吸气剂材料设置在第二层上或第三层空腔中。一般来说，吸气剂材料不会覆盖所有的内表面，而是仅覆盖其一部分。优选地，吸气剂材料仅沉积在最终需要其的区域中。可替代地，在第一步骤中，吸气剂可设置在第二层的整个主面上。然后可以在不需要其的区域部分中移除吸气剂材料。
[0032]当吸气剂设置在第三层空腔或第二层的期望区域中时，所述三个层以这样的方式密封在一起，使得第一层空腔和第三层空腔具有朝向第二层的移动结构的开口。第三层空腔包含真空或受控的填充气体。以此方式选择吸气剂材料，使得其吸收在空腔内的任何不希望的气体分子。在空腔填充有惰性气体(=受控填充气体)的情况下，很明显，吸气剂选择成使得惰性气体不被吸收。
[0033]该方法适用于晶片级封装。这意味着，第一层和第三层是具有合适厚度和具有许多相同结构的晶片。换句话说:具有多个移动结构、多个第一层空腔和多个第三层空腔。将三个层彼此密封的步骤产生了具有多个气密密封的内部空间的多单元器件。密封的层结构然后可以切割成独立的芯片，每个芯片包括密封在真空空腔中的至少一个移动结构。
[0034]从以下的详细说明和全部权利要求中，可以得出其他有利的实施例和特征组合。
【附图说明】
[0035]用于解释实施例的附图示出了:
[0036]图1是本发明的第一实施例的横截面不意图；
[0037]图2是本发明的第二实施例的横截面示意图；
[0038]图3a、3b是第一实施例的基板和盖板的示意性俯视图；
[0039]图4a、4b是第二实施例的基板和盖板的不意性俯视图；
[0040]图5a_5e是示出了优选的制造工艺的示意图。
【具体实施方式】
[0041]图1示出了第一优选实施例的横截面。第一层是厚度在例如200-750微米范围内的硅衬底1。衬底1足够厚(即自支撑结构)以便在生产处理过程中与其他层分别进行处理。在衬底1的顶部具有更薄的多绝缘体层4(例如厚度高达几个微米、例如0.1至3微米的氧化物层)。在绝缘体层4的顶部具有MEMS层2 (其对应于根据本发明的术语“第二层”)。MEMS层2可以是晶体硅层，其适合于构建移动结构。MEMS层2的厚度为不小于10微米，优选厚度在20-100微米的范围中(例如60微米)。MEMS层2的顶部具有盖3 (其对应于本发明的术语“第三层”)。该层的厚度可以为200-750微米、例如300微米。
[0042]替代者是由硅的薄层构成的SOI层(100至500纳米)、厚度在0_2微米范围中的氧化物层、在10-60微米的范围中的厚Si层。
[0043]衬底1和绝缘体上硅(SOI)部件(即MEMS层2与绝缘体层4组合)可以通过公知的方法密封在一起。盖3可以通过金属密封层5接合到顶表面2.1。(也有用于密封的其他方法、例如在低温下硅直接接合)。
[0044]在器件内部，衬底1具有例如两个空腔6.1、6.2。在各空腔6.1、6.2上方具有在MEMS层2中的移动结构7.1、7.2。所述移动结构7.U7.2由在MEMS层2中的开口 8.1、8.2限定。移动结构7.1,7.2可以是由弹簧元件悬挂在空腔6.1,6.2上方的两个震动质量块。震动质量块响应于器件的加速度。另外，移动结构可以是音叉，包括执行反相位运动的两个移动部分。
[0045]在移动结构7.1,7.2上方具有一个单一的第三层空腔9，其跨越了两个移动结构
7.1、7.2的区域。所述空腔9的深度比MEMS层2的厚度小，并且可以在1_30微米的范围中、例如15微米。空腔9并非用于容纳移动结构7.1、7.2，因为移动结构被完全包含在MEMS层2中并且不延伸到空腔9中。
[0046]空腔9在X和y方向上比移动结构7.1、7.2更大。这意味着，MEMS层2具有围绕移动结构7